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LM317可调式集成稳压电源的设计

时间:2011-07-13

第 10卷第 6 期

遵义师范学院学报

2008年 12 月

Journal of Zunyi Normal College

Vol.10, No.6 Dec.2008

LM317 可调式集成稳压电源的设计
安 玉 1,2, 傅兴华 1, 吴有林 2
(1.贵州大学 电子科学与信息技术学院, 贵州 贵阳 550025; 2.遵义师范学院 物理系, 贵州 遵义 563002 ) 摘 要: LM317 系列芯片是目前应用较为灵活的集成稳压器, 本文对由 LM317 构成可调式稳压电源的各部份电路组

基本工作原理、 器件的要求、 电源保护功能等作了较为详细的介绍, 给出了设计过程的基本理论及实测数据。 成、 关健词: 降压; 整流, 滤波; 稳压 O433 中图分类号: 文献标识码: A 文章编号: 1009-3583 (2008 -06-0057-02 )

Tunable Voltage-stabilizing Power Modulated by LM317 Molectron AN Yu, FU Xing-hua, WU You-lin
(1.College of Electronic Science&Informatation Technology, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2.Department of Physics, Zunyi Normal College, Zunyi 563002, China) Abstract: The chip series of LM317 is a nimble integrated circuit manostat at present. The design of, circuit units, funda- mental principle, requirement of components, and power protection of tunable voltage -stabilizing power comprised by LM317 molectron introduced in detail in this paper. Design theory and some measured data are presented too. Key words: voltage dropping; commutation; wave filtering; voltage-stabilizing

LM317 是固定集成稳压器芯片,经过对外围电 路的改进设计, 可以达到大范围的输出电压调整, 不 仅能满足一般小功率设备对直流电源的要求,已能 满足教学上各种综合实验的需要,是各类高校理工 类电子技术及相关专业开展综合整机线路设计的理 想器件之一,本文将对可调式电源设计作比较详细 的分析。 1 电路的组成与结构原理 稳压电源一般分为 5 部分, 即交流降压电路、 整 流电路、 滤波电路、 稳压电路、 保护电路。由 LM317 组成的稳压电源原理图如图 1 所示,交流 220V 电

图1

LM317 可调式集成稳压电源原理图

压经电源变压器降压整流得到直流电压 Vin,此电 压通过滤波电路输入到集成稳压器输入端,在集成 稳压器输出端可到 1.25~37V 直流电压, 电路原理图 [1] 如下 : 1.1 集成稳压器的自身保护原理 为获得较高的输出电压值, LM317 稳压器的调 节端与地之间的电阻 R2 值及其压降往往较大, R2 在 两端并接一个小于 10μF 的电容 C3,可有效地抑制 输出端的纹波。由于稳压器在 1∶1 的深度负反馈下 工作, 当输出端负载为容性的某一值时, 稳压器有可 能出现自激现象。因此,在稳压器的输入端接入 0.1μF 的电容 C2,输出端接入 470μF 的电解电容 C5, 提供足够的电流供给, 同时可以防止可能发生的 自激振荡以及减小高频噪声和改善负载的瞬态响 应。 当输入端发生短路时, 5 通过稳压器的调整管放 C 电, 5 值较大, C 则放电时的冲击电流很大, 电压会通 过稳压器内部的输出晶体管放电,可能造成输出晶 体管发射结反向击穿。 为此, 在稳压器两端并接二极 管 D2, 输入端短路时 C5 通过 D2 放电, 保护稳压器。

收稿日期:2008-07-14 作者简介:安玉, 贵州遵义人, 女, 遵义师范学院物理系高级实验师, 贵州大学在读硕士。

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第 10 卷第 6 期

遵义师范学院学报

2008 年 12 月

过流保护原理 过流保护电路是电源电路中不可缺少的一个组 成部分,根据其控制方法大致可以分为关断方式和 限流方式,本电路考虑到教学和学生开展综合设计 试验的特殊性, 采用关断方式。图中 V2 为保护三极 管,R5 为保护取样小电阻。当负载电流小于或等于 额定输出电流时, R5 上产生的压降较小, 仍工 在 V2 作在截止状态, 电源正常工作, 稳压器输出端输出正 向直流电压。 当输出电流超过额定电流时, 5 上的压降增 R 加,通过设定 R4、 4 的值,一但电流超出最大电流 C 时, 使电容 C4 两端电压达到 V2 的导通电压, V2 则 导通, 强制稳压器的输出电压降为基准电压 1.25V。 1.2

选择二极管要依据二极管的反向耐压 VRM 和正 向电流 IF。 由于滤波电容的容量愈大, 二极管导通角 愈小, 通过二极管脉冲电流的幅度愈大, 因此, 整流 管的幅值电流必须加以考虑。流过整流管的平均电 流 ID=Ii/2,i=IR2+I0,R2=IR1+Iadj≈0.01A (式中 Ii 为稳压 I I I I I R 器的输入电流,R1、R2、adj 分别为流过 R1、 2,以及调 整端的电流), ID=(0.01+I0)/2。 则 考虑到电容充电电流 的冲击, 正向电流一般取平均电流的 2~3 倍。 二极管 最大反向电压, dmax= 姨 2 U2= 姨 2 Ui, U 式中 U2 为电 1.2 Ui 源变压器次级电压有效值, 为整流输出电压(即稳 压器输入电压)。为了保证稳压器 LM317 稳定运行, 输入电压 Ui 与输出电压 U0 之差一般在 5~15V 范 围,取 Ui-U0=10V,得 Udmax=1.2Ui=1.2 (U0+10)=12+ 1.2U0。设计时可考虑一定的余量。 2.2.2 滤波电容设计 滤波电解电容 C1 的选择原则是: 取其放电时间 常数 RLC1 大于充电周期的 3~5 倍, 其耐压值 Uc 必 须大于脉动电压峰值。 对于桥式整流电路来说, 脉动 电压峰值为 2U2, 3 的充电周期等于交流电源周期 T C 的一半, C1≥(3~5) T , 即 式中 RI 为整流后的等效 2RI 负载电阻, RI =Ui/Ii =(10+U0)/(0.0l+I0), 而 代入式中即 可确定 C1 值 2.3 电源变压器设计 在串联稳压电路中,确定变压器的二次电压很 重要。 如果为了有富余而把二次电压做得较高, 就会 增加调整管的损耗,这样得相应地增大散热器。因 此, 要设计出性能优良的电源, 变压器的参数值往往 要经过多次调整。这里采用近似计算的方法来确定 U2 和 I2[2]。 U2=Ui/1.2=0.83(10+Uo) I2=(1.5~2)Ii=(1.5~2)×(0.01+Io) 2.4 芯片的散热设计 稳压器的最大允许功耗取决于芯片的最高结温 TjM,当 T<TjM 时稳压器才能正常工作。 因此, 稳压器的 散热能力愈强, 结温就愈低, 它所能承受的功率也愈 大。稳压器的散热能力取决于它的热阻给半导体器 件加散热片后可减小总热阻。若令 Rθ1 表示从结到 R 器件外壳的热阻, θ2 表示从器件外壳到散热片表面 的热阻, θA 表示从结到散热片表面的热阻,则 RθA= R Rθ1+Rθ2。 若令 Rθd 表示散热片到周围空气的热阻, θ’ R 表示加散热片后结到空气的总热阻,则 Rθ’ θA+ =R Rθd。设集成稳压器的最高允许结温为 TjM, 最高环境 温度为 TAM, (下转 61 页 )

图2

保护电路原理图

2 主电路设计 2.1 集成稳压器的设计及芯片选择 在选择集成稳压器时, 应该兼顾性能、 使用和价 格几个方面。性能指标主要根据负载电压电流的大 小、 调整率的高低以及工作稳定范围的宽窄, 同时其 有较高的稳压精度、较高的纹波抑制比和较好的输 出电压温度特性, 因此, LM317HVK, 选 其主要技术 指标为输出电流 1.5~2.2 ) 输出电压可以在 1.2~ (A , 45 ) (V 之间可调, 耗散功率为 20 ) 可见完全能满 (W , 足一般小功率设备和电子类综合设计实验的要求。 另一方面,为了保证稳压器在空载时也能正常 工作.则流过电阻 R1 的电流不能太小。 一般取 IR1=5~ 10mA, 故 R1=VREF/IR1=1.25/(5~10)×10-3≈120~240Ω, 式中 VREF 为稳压器基准电压。而输出电压 U0 与 VREF、 1、 2 有以下关系[1]: R R V0=VREF+(IR1+Iadj)R2=(1+R2/R1)VREF+IadjR2 (1) 调节电阻 R2, 即可改变输出电压的大小。由于 Iadj 很小(只有 50μA), 所以式(1)可写为 Uo=(1+R2/R1)VREF=1.25(1+R2/R1) (2) 由式(2)求得 R2=(0.8U0-1)R1。 2.2 整流滤波电路设计 桥式整流滤波电路要确定整流二极管以及滤波 电容值。 2.2.1 整流二极管的选择 58

· 董水金等 积分变换仿真在电路动态分析中的应用

ylabel('i(t)(A)'); 可得负载电流的表达式为:i (t)=100/7-100/7e -3tcosh 姨 2 t+575/14e-3t 姨 2 sinh 姨 2 t(A) 电流的变化曲线如图 8 所示。

图 6 交流激励电路 (图 5 仿真波形 )

图 8 含受控源电路仿真波形

图 7 含受控源电路例图

由戴维南定理可得 S 域的负载电流表达式为: I(s)= 125(0.8+s) s(s2+6s+7) 编入程序 syms I i t s; I=( (125*(0.8+s))/(s*(s^2+6*s+7))); t=linspace(0,pi); i=ilaplace(I) i=100/7-100/7*exp(-3*t).*cosh(2^(1/2)*t)+575/14*exp (-3*t).*2^(1/2).*sinh(2^(1/2)*t) plot(t,i); xlabel('t(s)');

结束语 动态电路发生的过渡过程时间短暂,但在工程 技术中意义重大,过渡过程有可能产生过电压和过 电流现象, 其数值要比正常的额定值大得多, 可导致 元件击穿、 绝缘老化、 机械损坏, 必须采取措施加以 防止。 在研究动态电路中, 能获得变化电压或电流的 猝变曲线很重要, 本文提供了相关例子。 对于涉及猝 变的其它物理现象, 也有一定参考作用。 4
参考文献: [1]李瀚荪. 电路与磁路[M]. 北京: 中央广播电视出版社, 1994. 476-479. [2]秦曾煌.电工学[M].北京: 高等教育出版社, 1999. 220-223. (责任编辑: 彬 朱 )

(上接 58 页 加散热器后器件的功耗为 PD, ) 则有关 [2] 系式(3) 。 PD= TJM-TAM = TJM-TAM (3 ) Rθ' RθA-Rθd 器件的最大功耗必须满足 PDM≤PD 3 实验结果 在交流供电电压 220(1±10%)V, 输出额定电压 U0=24V, 额定功率 P0=15W, 额定电流 I0=0.625A 时, 允许的短路时间为 ts=500ms,允许的保护电流额定 值 Ic=2A, 允许的最高环境温度 TAM=+45℃, 输出特 -6 性 Un=24V,In=0~1A: 电压稳定度 Sv≤5×10 ; 负载 -5 -5 温度系数 α≤1×10 /℃。 稳定度 S1≤5×10 ;

结束语 综上所述, 采用 LM317 系列集成稳压器设计的 小功率直流电源, 电路结构简单, 效率高, 成本低, 输 出电压性能好, 有着很好的应用前景。 4
参考文献: [1]陈大钦.电子技术术基础实验[M].北京:高等教育出版社 , 2000.97, 98. [2]叶致诚.电子技术术基础实验[M].北京:高等教育出版社, 196, 1998.195, 197. [3]童诗白.模拟电路基础(第三版)[M].北京:高等教育出版社, 2000. (责任编辑: 彬 朱 )

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